Fysikere får overraskende svar ud af spørgsmål til fotoner

Kvantemekanik er ofte overraskende og ikke-intuitiv. Selv med et godt kendskab til kvantemekanikkens grundbegreber kan man dog let løbe ind i overraskelser. Det har israelske forskere nu vist.

Forestil dig, at du laver en labyrint, hvor fotoner kan bevæge sig gennem flere veje ved hjælp af prismer og spejle, men du skruer dit system sammen så snedigt, at der kun er en farbar vej fra indgang til udgang.

Når fotonerne ankommer til udgangen, så spørger du dem, hvor de har været undervejs i labyrinten. De giver det overraskende svar, at de har været inde i et område, som du har sørget for, at ikke kan slippe ud af.

Hvordan vil du forklare det?

Den anerkendte israelske kvantefysiker Lev Vaidman har sammen med tre kolleger fra Tel-Aviv University gennemført et sådant eksperiment og fået en artikel med titlen ’Asking photons where have they been’ accepteret til offentliggørelse i Physical Review Letters. Artiklen er tilgængelig via arxiv.org.

Forsøget fører til forkastelse af en traditionel betragtning baseret på almindelig kvantemekanisk sund fornuft, men det har en enkel forklaring baseret på en alternativ formalisme inden for kvanteteorien, som man kan kalde dobbelttilstand vektor-formalisme (two-state vector formalism eller blot TSVF).

Svage målinger

Men lad os se nærmere på forsøget.

Med en laser sender forskerne fotoner gennem et Mach-Zender interferometer bestående af beamsplittere og spejle, hvor der er to veje fra indgang til udgang.

Mach-Zender interferometret svarer til det klassiske dobbeltspalteeksperiment, der illustrerer forskellen mellem kvantemekanik og klassisk mekanik på enkel vis.

Sender man fotoner enkeltvis mod en dobbeltspalte, vil der opstår et interferensmønster efter dobbeltspalten svarende til, at hver enkelt foton som en bølge havde passeret gennem begge spalter. Forsøger man at detektere, hvilken spalte fotonen betragtet som en partikel bevæger sig gennem, så forsvinder interferensmønsteret.

Der er ingen måde til at bestemme, hvilken vej fotonen har taget og samtidig opretholde et interferensmønster.

Og dog!

Den israelske fysiker Yakir Aharonov udviklede i 1988 et princip for ’svage målinger’, hvor man kan undgå den vekselvirkning, der er mellem iagttager og det målte, som findes ved ‘stærke målinger’, og som giver anledning til mange af kvantemekanikkens love.

Det sker på bekostning af, at svage målinger ikke giver fuld viden. Men ved at foretage mange på hinanden efterfølgende målinger kan man få information om, hvordan et stort antal fotoner i gennemsnit vil opføre sig.

Princippet for svage målinger har tidligere været brugt til studere dobbeltspalteeksperimentet på en måde, som hverken Bohr eller Einstein havde forestillet sig mulig.

I et Mach-Zender interferometer lader de israelske forskere de to spejle vibrere med en frekvens på henholdsvis 282 Hz og 296 Hz.

Med deres detektionssystem kan de opfange begge frekvenser.

Det er ikke klart med en sådan måling, om alle fotoner har taget begge veje i systemet, som det sker i dobbeltspalteeksperimentet, eller om nogle fotoner har taget den ene vej, og andre har taget den anden vej. Men det viser med sikkerhed, at der har været fotoner både i nærheden af spejl A og spejl B. Og det er afgørende i første omgang.

Indskudt interferometer

Lev Vaidman og Co. laver nu et interferometer med endnu et interferometer indskudt i den ene gren.

Nu er der fem spejle, som vibrerer med hver sin frekvens.

Det kan fysikerne igen iagttage med deres måling, når de sender fotoner gennem systemet.

Nu kommer pointen.

Det indre interferometer i den ene gren af det ydre interferometer indstilles, så der ikke er passage hen til spejl F. Interferensen mellem signalerne i de to veje i det indre interferometer vil sende fotoner væk fra spejl F – og dermed kan de heller ikke nå frem til detektoren.

Almindelig sund fornuft vil tilsige, at så skulle man kun detektere frekvensen fra spejl C i signalet ved detektoren.

Det er ikke tilfældet. Der optræder både et signal fra C og signaler fra A og B.

Derved fortæller fotonerne samlet set, at nogle har været i kontakt med spejl A og B til trods for, de ikke har været på vej ind i det indre interferometer (der er ingen kontakt med spejl E) eller kunnet komme ud af det indre interferometer (der er ingen kontakt med spejl F).

Stor forvirring!

Den enkle forklaring

Forskerne peger på, at her kommer dobbelttilstand vektorformalismen til hjælp med en enkel forklaring.

Metoden blev oprindeligt udviklet af den japanske fysiker Satosi Watanabe i 1955 og genopdaget af Yakir Ahanonov i 1964, som gav den navnet Two-State Vector Formalism (TSVF).

Kort fortalt siger den, at sandsynligheden for at finde en foton et bestemt sted er bestemt af to vektorer. Den ene bevæger sig fremad i tiden fra kilden, og den anden bevæger sig bagud i tiden fra detektoren.

For at sandsynligheden for at finde en foton et bestemt sted skal være større end nul, skal både den fremadrettede og den bagudrettede bølge være til stede. Det er den ved spejlene A, B og C, men ikke ved E og F.

Andre forklaringer

Nu skal man dog ikke forledes til at tro, at TSVF-beskrivelsen fører til et andet resultat end en gennemarbejdet traditionel kvantemekanisk beskrivelse vil gøre, skriver forskerne i deres artikel. Den er kun lettere at forstå.

Det forholder sig nemlig sådan, at det indre interferometer vil ’lække’ fotoner, selv om det er indstillet til at være lukket for passage af fotoner til detektoren. Det skyldes, at spejlene er sat til at vibrere, og der derved opstår en faseforskel, der gennemhuller muren ud af interferometret til spejl F. Så også en almindelig kvantemekanisk analyse vil føre til samme resultat, den er blot sværere at gennemføre.

I eksperimentet er brugt synligt lys med omkring 10^14 fotoner ved hver kørsel. Det betyder, at selv en klassisk elektromagnetisk analyse baseret på Maxwells ligninger i dette tilfælde kan forklare observationerne, redegør forskerne for.

De bemærker derfor afslutningsvis i deres artikel, at det vil være interessant at gentage eksperimentet under betingelser, hvor klassisk fysik eller en beskrivelse baseret på en enkelt kvantemekanisk bølge ikke kan give en forklaring. Det kunne f.eks. være et interferenseksperiment med neutroner.